Interesujące badania z Carnegie Mellon University. Naukowcy zaproponowali wykorzystanie ciekłych kryształów w ogniwach litowo-jonowych, by zwiększyć ich gęstość energii, stabilność i moce ładowania. Prace nie są jeszcze zaawansowane, więc na ich wdrożenie poczekamy co najmniej pięć lat – o ile w ogóle się uda.
Ciekłe kryształy zrewolucjonizowały wyświetlacze, teraz mogą pomóc bateriom
Spis treści
Słowem wstępu: producenci ogniw Li-ion dążą obecnie do zwiększania gęstości energii w ogniwach przy jednoczesnym utrzymaniu lub polepszeniu ich parametrów, w tym na przykład poprawieniu stabilności przy wyższych mocach ładowania. Chodzi o to, żeby baterie były lżejsze, bezpieczniejsze i dawały się ładować szybciej. Trochę jak w trójkącie szybko–tanio–dobrze.
Jedną z metod na spore podniesienie gęstości energii ogniw (1,5-3x) jest zastosowanie anod wykonanych z metalicznego litu (Li-metal). Nie z węgla czy krzemu, jak dotychczas, lecz z litu, a więc z pierwiastka, który bezpośrednio odpowiada za pojemność ogniwa. Problem w tym, że w takim układzie szybko wykształcają się litowe dendryty, metaliczne wypustki, które z czasem łączą obie elektrody, czym prowadzą do ich uszkodzenia.
Ciekłe kryształy jako sztuczka pozwalająca na uzyskanie płynnego-stałego elektrolitu
Aktualnie trwają prace nad opakowaniem anod w rozmaite materiały, by utworzyć z nich zewnętrzną skorupę umożliwiającą przepływ jonów litu, ale niepozwalającą na wzrost stałych struktur. Potencjalnym rozwiązaniem problemu jest też zastosowanie stałego elektrolitu – ściany, przez którą dendryty nie zdołają się przebić.
Naukowcy z Carnegie Mellon University zastosowali inne podejście: chcą pozostać przy sprawdzonych, ciekłych elektrolitach, ale opartych na ciekłych kryształach. Ciekłe kryształy to struktury znajdujące się w połowie drogi między cieczami i kryształami, tj. ciałami stałymi o uporządkowanej strukturze. Ciekłe kryształy są płynne, ale ich cząsteczki są mocno uporządkowane (źródło).
Na poziomie cząsteczkowym struktura elektrolitu ciekłokrystalicznego jest po prostu strukturą krystaliczną, a więc blokującą wzrost dendrytów. Ciągle jednak mamy do czynienia z cieczą, a więc fazą pozwalającą na przepływ jonów między elektrodami. Wzrost dendrytów jest zablokowany, ładunki powinny przepłynąć.
Opracowanie o tym nie wspomina, ale ciekłe kryształy mają jeszcze jedną ważną cechę: po przyłożeniu do nich napięcia mogą się ustawiać w konkretnym porządku (co widzicie Państwo choćby patrząc na te słowa i granicę między czarnymi literami i jasnym tłem). Może być więc tak, że w momencie rozpoczęcia ładowania ogniwa, cząsteczki ciekłych kryształów ustawiałyby się pod innym kątem i „zdrapywały” ewentualne zaczyny dendrytów z elektrod.
Wizualnie przypominałoby to zamknięcie się klapek w, dajmy na to, otworze wentylacyjnym.
Minusem sytuacji jest fakt, że Carnegie Mellon University dopiero rozpoczął badania nad nowymi elektrolitami. Wiadomo już, że ich stabilność jest niższa niż stabilność zwykłych ciekłych elektrolitów. Degradacja ogniw następuje więc szybciej, a to nie jest interesujący nas kierunek. Niewykluczone jednak, że z czasem problem zostanie rozwiązany. Szczególnie, że ogniw solid-state nie spodziewamy się przed drugą połową dekady:
Zdjęcie otwierające: proces powstania litowego dendrytu na elektrodzie mikroskopijnego ogniwa Li-ion. Duży ciemny kształt od góry to druga elektroda. Początkowy „bąbel” atomów litu w pewnym momencie wystrzeliwuje do góry tworząc „wąs” będący szkieletem powstającego dendrytu (c) PNNL Unplugged / YouTube:
